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大型钢锭的制造工艺


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大型 钢 锭 的制 造 工 艺  
(日 ) 铃 木 章 

锻钢 件用 于机 器 和设备 的 重要零 件 , 因 

组 成的方 法 , 可以达 到超 低磷 硫含量 的 。 是 在  目前常 用 的 电弧炉 的情 况下 , 在氧 化期 迅 速  进行脱 磷

, 出钢后 在 钢包 中在 还原 的 条件下 

此,要求有高的质量。鉴于锻钢件的质量是 
由超声 波探 伤检 验其 致 密性 和均 匀性来 评 价 

的 ,所 以, 钢锭 决定 了锻件 的质 量 。  
“ 制造 锻件而 生产 钢 锭” 的 观点 ,是  为

进行脱 硫。 为了防止回磷, 并控制钢包精炼时  的 熔渣成 分 , 采取 诸 如 倒包的 方法 , 以防 止 电 
弧炉 的氧 化渣 进 入 包 中, 这 是 至关 重 要 的。  

1 6年 在英 国设 菲尔 德 召开 的 国际锻 造 会议  97
上 由英 国锻造 师的 代表 提 出的 (] 最 近 ,  。  

鉴于 钢 包精炼 炉 装有 加 热装 置, 钢水 在 
真空 条件 下还 能充 分被 搅拌 。有 两 种搅 拌 方  法 :吹氩 搅 拌和 电磁 搅拌 。吹 氩 搅拌 时, 真 

发 表 了一份 详细 的 报 告 (],报 道 了转子 锻    件 的 先进 炼钢 工艺 。这 个报告 对生产 优 质锻  件 是 极为有 益 的, 因为 它叙述 了超低 磷 硫钢  的 精炼方 法 、钢锭 缺 陷的 预防措 施 和 电渣 重  熔法 的应 用 。 自1 6年 以来 , 锻件 的特 点是  97 尺寸 迅速 增大 ,对质 量要 求很 苛 刻 。锻件 尺 
寸 增加 ,导 致 锻件用 的钢 锭尺 寸 增加 。为 了 

空 条件 下 的氩气 搅拌 能 量要 比大 气 条件下 大 
得 多, 因此, 采 用具有 合 适 成分 的 熔渣 脱 

硫, 以 及通 过真 空 条件 下的 强力 搅拌 , 短时 
间 内便能 除气 。  

真 空碳 脱氧 的 3 5 Cr V钢 中磷 硫含  .Ni Mo
量 的 变化 见 图 1。采 用双渣 法 ,熔 化 期末 的 

制 造大型 钢锭 ,如 何 既减 小偏 析而 同时 又获 
得 大量 钢水 是至关 重 要的 , 因为偏 析 随钢锭  尺 寸 的增加 而 增大 。针 对上述 的 偏析 问题 ,  

磷 含量 达到 1  ̄1 p m, 随后 , 由于回 磷和  O 5p 加入 的铁 合 金 中的磷 ,磷 含量 增加 了 i  ̄ 1  0 5 p m。 在钢 包精 炼炉 中 加 热, 并 在 lo r p t r  (1 3 3 a)下真 空处理 约 2 mi 3 .P 0 n,便 降 低  了 硫 含量, 这样 ,就 获得 了 含 硫约1 p m的  0p
超 低 硫钢 。  

为 满 足优质 要 求, 已经 采取 了措 施, 对于 这 
些措 施将加 以评述 。  




钢 包炉 介绍 

由于锻 件 尺寸 的增 加,尤 其 是 核电站 汽 

脱 硫取 决于所 用熔 渣 的成 分 。熔渣 的 曼  内 斯曼 系数 (Ma n s n   n e ) Ca   n e ma a I d x ( O/ S O。 AlO。 硫的 分配 比的 影响 见图 2  i )/   对 。 图 2表 明, 当 曼内 斯曼 系数为 0 2 . 时 , . ~O 3   分 配 比达 到2 0 3 0 在使 用具 有 上述成 分  0 ̄ 0。 熔渣 的情 况下 ,图 3指 出 了电弧 炉 出钢后 的  硫 含: 量和在钢 包 精炼炉 中真空 处理后 的 硫 含 

轮 发 电机 转 子锻件 , 需要 5 0 级的钢 锭 。为  0t 了能 一 次得 到大 量的钢 水 ,采 用 了保温 炉 。  

鉴于 保 温炉有 石 墨 电极 加 热,钢 水 的温 度和  成 分都 能保 持在 最佳 状态 , 直到下 一 炉钢 水  出钢浇 注 。不 过 ,精炼 是 保 温炉 的 功 能 之 


, 1 7 年介 绍的 真空 电 弧除气 ( 95 VAD )  

装 置 (]使得有 可 能 除保 温外还 满 意地 进行  。 精炼 和 除气 。此 后, 在保 温炉 上加 装真 空装 
置,炼 出了超低 磷 硫钢 (J(1 8 。不 用    9 0) 说, 采 用 由碱 性氧 气 转 炉 (B OF ) 主要  为

量 之间 的关 系,从 图 3可 以看 出, 已炼 出了 
硫含 量小于 1 p m的超 低 硫钢。 使用 同一 种  0p 熔 渣 ,钢 包精炼 后和 真 空 浇注后 的钢锭 冒 口 

处 的氢 含量 分别 为 15 p .p mm ̄ 1 0 p   [ .p m。 1
l  

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=、防止大型非金属夹杂物 
Me la   等叙 述到 :真 空除 气的应  Mil n[]

用 ,导 致产 生 了一 个 较高 的全 面 纯 洁 度 标  准 , 但钢 锭底 部 仍然 存 在着大 型 夹杂 物的 倾  向 。随后 对 夹杂 物的 来 源进 行了 研究 ,并 且  发 现夹 杂物 与 枝 晶下沉 或钢 锭 冒 口结壳块 有  关(   ] 。下 沉似 乎 是 由于发 热剂 粉 使 冒 口  
结壳 局 部再 熔 化和 由于 凝 固 收缩 使 冒 口结壳  变 形开 裂而 引 起的 。夹 杂 物的来 源 是用 来加  热 冒 口的 混合 物和 浇 注后 上 升到钢 锭 液面 的  非 金 属夹 杂物 。   为 了防止 非 金属 夹杂 物 ,在 浇 注 钢 锭 
图 1 冶炼真 空碳 脱 氧铜 时   
(P ]和 (S ]的 变化 

后, 应尽 可 能 快地 把发 热剂 粉和 绝 热剂粉 施  加 在 冒 口的 上 表面 ,这 样, 冒 口结壳 可能 尚  未 形成 。使 用 这种 方法 ,发 热剂 粉 需要被 冒 
口的 钢水加 热 , 以便开 始燃 烧 。通 过吸 热,  

有 少 量的 钢 水被 凝 固,然 后沉 到钢 锭底 部 。  
但是 , 由于 小凝 块 已沉淀 在钢 锭的 切 尾部,   这就 不会 造 成 隐患了 。  
三、减 小 偏 析 

Co n、]等 统计 分析 了钢 锭偏 析 的大  mo 。
量 实际 数据 ,提 出了碳 的偏 析取 决 于钢 锭尺 

寸 和化 学 成分的 关 系式 。用 方 程式 计算 的值 
同我们 的数 据 很 吻合 。  

至于 改变 用于 多炉 合 浇 的几炉 钢 水的碳  含量 对减 小大 钢 锭的 偏析 是 否有效 , 已进 行  了研 究 。根据 用 钴作 为微 量元 素 的试 验,可 
( a ¥ Oz / -   C O/ i   nl ) Os

以断 定 ,钢 水在 浇满 锭模 时就 已完 全 混 合 

图 2 熔渣 的 曼内斯 曼系数 对 铜 包     精 炼 炉 中S的分 配比 的影响 

了 。此后  又有 报道 说 上述 碳 含量的 改 变是  有效 果 的  。 为 此,作 者 [] 用 两个  。等 2 5锭 进 行 了试验 , 以校 验其 有效 作 用 ,并  2t
已得到 了Mc l n论文 中指 出的 相 同 结  Mil a

论 , 即: 由于钢 水 在锭 模 中的 迅速 混合 ,改  变 用于 多炉 合 浇的 各炉 钠 水的 碳 含量是 没有 
出钢 晤 C 3 (P S Pm )  

多大意 义 的 (I 4 )。    

图 3 锏 包精炼 炉 中 (S]的 变化   
2  

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3  O
25 ^  20  

要 用盖 子盖 住冒 口,且 不说 要 施加 冒 口发热 
保 温剂 混合 物了 。  

l   U  5 n 

固体 的 运动 是钢 锭宏 观偏 析 的另一 个原 
因,它 导致 了 钢锭底 部 负偏析 区沉 积锥 的形 

霹锕锭袤面距离(hm) i  

成 。 由于 浇注时 从钢 锭模 壁 开 始 凝 固,这 
样, 钢水 就 沿凝 固前 沿 流动, 要避免 在 大型  钢 锭 中形 成 等轴 晶, 几乎是 不 可能 的 。建议  提高 浇 注温度 和 使钢锭 上 部表 面 绝热, 以 阻 
止 等 轴 晶的形 成。  

图 4 钢 锭 下 部 从 表 面 到   

中心碳 含 量 的 变化 

通常, 宏 观偏析 是 由于 凝 固时 的物质 传  递 、 钢水对 流 和 固体 运 动所 造成 的 。大量 钢  水的对 流是 温度 差 引起 的 。另外 一种 对 流发  生 在 液相 。 固相 区 内,其 驱动 力是 液相 一 固相 
区中 的凝 固 收缩 和钢 水 内部 的密度 差 。 由于 

在钢锭 凝 固的 最 终阶段 , 钢锭 中心 区 由 

等 轴 的 固体 和钢 水的 混合 物组 成 ,枝 晶间 的 
钢 水 向下 流动 ,以 补给 下部 的凝 固收缩 ,并 

形 成 了 中线偏 析 。供这 些 钢水 流动 的通 道 的 
痕 迹便是 V 型 偏析 , 因此 ,V 型偏 析的 程度  取 决于 钢锭 的 形状 和 等轴 晶区 的大 小。  
四、 电渣 重 熔 法 

液相 一 固相 区 中的钢 水被 溶质 富 集 , 水的 运  钢 动 便被 认为 是偏 析的 主要 原 因了 。   A型 和V 型 偏析 是 通常 称之 为通道 型 偏 
析 的另一 种 偏析 。A 型 偏析 是 由于枝 晶间钢  水 通过 通道 运 动而 引起 的。众 所 周知, 当枝  晶间 的流 速 (在生 长方 向 )超过 等 温线迁 移 

电渣重 熔法 ( R)作 为获得 致 密均 匀  ES
钢锭 的方 法 ( ] 受到 人们 很大 的关 注 。 由   ,   于 经 过脱 硫 、脱氧 并 呈 柱状 晶凝 固, 电渣 重 

的速度 时 ,偏析 就形 成 了 [  

。 )。 因此,  

为 了将 A 型 偏析 减 至最 小 ,选 择 钢的化 学成  分 , 使枝 晶间 钢水 和大 量 钢水 之 间可 以有 较  小 的 密度 差 , 这很 可能 是有 效 的 。虽 然在 真 
空 碳脱 氧 钢和 超低 硫 钢钢锭 中偏 析 的 减小 已 

熔法 生产 的 钢锭具 有 夹杂 物又 少 又小而 且 偏  析 减小 的特 点 。利用 上 述特点 , 由 电渣重 熔  锭 制造 了快 中子 增殖 反应 堆 用的 汽 轮发 电机  的伸缩 接 头 (图 5 )   j。从 图 5可 以看  出, 由于 钢锭 的 各个 部 位都 成为 精加 工后 的 
表 面 , 因此, 对于 这种 零件 ,特 别要 求 纯 洁 

由这 个机 理作 了解 释 ( , 但是 , 由于钢 的  ¨)
化 学 成分 受技 术 条件 中每 一 元素都 应 在给 定 

范 围内 的限制 ,实 际上 很难完 全 抑 制A 偏 析 
的形 成 。   除 了考虑 钢 的化学 成 分外 ,还 打算 将 冒 
口完全 绝热 , 减小偏 析 (  。 以 ¨ 由于 凝 固最 终 

度 和均 匀性。 无论 如何 ,对 于在 三 向轴应 力 

条 件下 使 用的零 件 ,机 械性 能 的有 向性是 很 
重 要的 。正 如表 1 示 ,分析 结 果 表 明, 钢  所 锭 没有 偏析 。   在制造 1Cr 锻件 时, 脱氧 产物 几乎 造  2 钢

阶段 固态搭 桥网 状物是 相 当坚 固 的,只有 枝 
晶间的 钢水流 动能 补给 凝 固 收缩 。如果 采 用  敞开 式 冒 口设计 , 则 冒 口的 凝 固进程 可能 与 

成 了与 该钢 化学 成分 有关 的质 量 问题 。 图 6  
示 出 了氧 含量 和 参与这 种 钢脱氧 的 碳 、硅 、   铬 三种 元 素 之 间 的平 衡关 系 。 当 成 分 为  0 0 %C和 0 2   S 时, 如 果Jc 为 0 1 t   .5 .5 i F o .am ) (约 0 1 . MPa), 温度 为1 G ℃ ,则 钢 中的  50
氧 取 决于硅 , 这就 使作 为 脱氧产 物 的硅 酸盐 

锭 身头 部 的凝 固进程 相 似, 因 此,在锭 身 的 

凝 固最 终阶 段 ,冒 口中 溶质富 集 的 枝 晶间钢 
水 补给 了钢锭 的凝 固 收缩 。这 样的 钢 水 流  动 , 致钢锭头 部严重 正偏 析 。 了防 止正偏  导 为
析 ,应 保证 冒 口的 四壁 和上 表面 绝热 。建 议 

有 可 能聚 集到 普通 钢锭 的下 部沉 积锥 中。当 
3  

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成 分为 02 %C和 00 %S .0 .5 i时,如 果尸c 为  o
0 3 r , 温度 为 1 0 ℃,则 钢 中 的 氧取 决  .am 50 于 铬 ,极可 能 形成 亚铬 酸 盐 。这 是 因为 , 已  经假 定a i2 c    都 为 1, 求得 了 图 6 s  o 和a   2 3 oo  
的 平衡 线 。  

杂物 , 很可 能被 熔渣 吸 附,钢 锭 凝 固成 柱状 
晶组织 ,而 无 等轴 晶 区。 因此, 采 用 电渣重 

熔 法 ,问 题就 解决 了 ( 。 。 I) 

由于 含有 钛 和铝 ,A2 6合 金 曾经 用真  8
空感 应熔 炼和 真 空 电弧重 熔法 生产 ,然 而,  

电渣 重 溶时 ,作为 脱 氧产 物 的非 金 属夹 
… 0 …  

最近 的进 展 使得 有可 能用 真 空 氧 脱碳 (VO   D )法和 电渣 重熔 法生 产 (   为 了控 制钛  ¨ 。

?————一 I  0 m — ————- - l m 7 ‘ 
… ● … _ 一 _
一  

和铝的 含量,需要选择最佳的熔渣成分。采 
用 VOD— R法 已经 生产 了一个 l t 的钢  ES 6级

f一   I
广— 

. —

j  
机加工后伸培  / 接头的轮廓线 
£ .  
P—

  J
j 
~  
— —

锭, 并用 这个 钢锭 试 制了 一件 转 子。   被 称为 “ 点” 的通 道型 偏析 , 是 电渣  斑 重熔 锭的一 个 质 量问题 。 电渣 重熔 锭在 水 冷 
结 晶器 中从下 而 上地 定 向凝 固, 因而 是在大 

 

j E    
E  
U  

j 
j 
-   —

●   t  
- 

温度 梯度 和 浅熔 池下 进 行凝 固 的,最 终组 织 
完全 是 柱状 晶,偏 析很 小 。然 而, 偏析 还 取  决 于钢种 和钢 锭 直径 ,而 且 经常 在钢 锭 中发  现 。鉴 于 电渣 重熔锭 是 以 类似的方 式 凝 固成 

| —



.. 

环形 件 锻 
J  
— — 、
{   —

j 
一 ~  

i  
图 5 环 形锻 件和 回 旋 状 简形    

单 向凝 固钢 锭的 ,只 有 液相 一 固相 区 中 钢 水 
密度 的 变化 才是 实际 上产 生偏 析 的原 因 。 为  .

了 减小 偏析 ,应 当选 择增 大 温度梯 度 的熔 化 
条件 [。 。   ] 

伸缩接 头的轮 廓 草 图  

表 l 2丢Cr l   - Mo钢 在 各个 生产 阶 段 的化学 成分 
化 
取 样 位 置 
  I

学 
1  

成 
  -

分 
  I   1

C 

S i f M  f P     n    

S } C  {     r  

M  o

真 空 浇注 电 极 的 
0. 0 1    0.  4 0. 0 5  0.08 0   0. 05 0   2. 2 2  1. ; 0J  

钢 包分 析 

电渣 重 熔 锭 的复  验 奔 坼 

顶  底 

部  部 

0 1  .0 0 1  .0

0 5  .9 0 4  .0

0 5  .0 0 4  .9

008 .0  005 .0 

002 .0  0.0   02

22   .0 2 2  .1

1 0  .3 1 0  .2

外  电 渣重 熔  12 /  锭 的切头  
中 

周   R  
心 

0 1  .0 0 1  .1
0 1  1


0 4  .2 0 5  .9
0. 9 5 

0 4  .0 0 4  .9
0.   51

00 5 .0  007 .0 
00   . 07

002 .0   0.0   02
0. 0   02

2 2  .2 2 2  .; J
2. 2 2 

0 9  .9 1 0  .j
1 05 .  

外  电 渣 重熔  

周 

0 1  .0

0 5  .9

04  .8

0 06 .0  

0. 0   02



2. 6 1 

0. 9 9 

12 / 
锭 的切 尾 
中 

R  
心 

0 1  .0
0 1  1


0. 0 4 
0. 0 4 

0 5  .0
0. 0 5 

006 .0 
0. 0   07

002 .0 
0. 0   02

2.1 2 
2.   22

10  .0
1 0  .0

注:1 s 、A 、s 分别测得为005 .n s b .0 、002 .0 、002 . .0    
4  

2 .稍微锻造后对切头切尾进行分析.  

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‘  

【t C S 】. C) (% )  

图 6 [ ) [ i  ̄ C l 钢 水 的影响    C 和 S ) r2

针对 压力容 器 锻件 的生 产, 最 近 已研制 l  
五、 其 他方 法 

出中空钢锭 (  

。。中空钢 锭的偏 析,和    3 j

冒 口保 温 对减 小偏析 是有 效 的 。 已经研 
究出 一种 同这 种想法 一 致 的先进 方法 , 称为  电渣加 热 补 注 ( HT)法 。迄 今为 止, 已  ES 经提 出 了三 种方 法 :第 一种 是 采用 水冷 金属 
保 温帽 的鲍 勒 电渣 补 注 (B T)法 ( ] ES   ;  

相近重量的普通钢锭相比,似乎是不利的l   ,
因 为中空 钢锭 的高 厚 比大 了。如 果把 中空钢\ l /   锭和 超 低磷 硫钢 结合 起来 , 看来 能获得 必 要  质 量的锻 件 。  
六 、结 论 

第 二种是 用耐 火材料 将保 温帽 绝热 的台 尔尼 
耐 火 材料 电渣 补注 (TRES T)法 ( ]   ;第 

尽 管锻 件 的尺寸 增大 了, 但炼 钢工 艺 的 
最 近进 展带 来 了锻 件质 量 的改 善。 这种 改 善 

三 种是 用 石墨 电极 代 替 自耗 电极 的 ES HT一  

珐  。这 三种方 法 都有 生产 到 6t 的经 验 。 0锭  
中心 区重 熔 ( Z C R)法是 电渣 重 熔法 的 另一 

可 以归 功 于精炼 工 艺 的发 展。应 当特别 提 到  的 是 钢包精 炼 炉 的贡 献,钢 包 精炼 减少 了钢 
中 的夹杂 和气 体 的 含量。   由于凝 固研 究 的进展 ,大 量 现象 已经 弄  清楚 。 提供 的试 验数 据 ,可 以在 现代 知识 的 

种 应 用。 由米 德瓦 尔一 哈本 斯泰 尔和 克 累 克 
纳 尔厂 ( d ae He p n t l a d k 6 — Mi v l — p e sa l n   l c   

k e  e k ) 研 究 的这种 方 法 , 称 为  n rW r e MHKW 法 ( )   。这方 法是 : 先将 普 通钢锭 

启 发下加 以研 究。这 样 ,定 量研 究对 于钢 锭 
浇注工 艺 的发 展将 是非 常必 要 的。   电渣 重 熔锭 的 极好 的均 匀性 ,是 其铸 态 

有 缺 陷的 中心 区去 除, 然后 再用 电渣 重熔 法  充 填 。这方 法 已经 用于重 达2 0的钢锭 , 以  0t
生产 压力 容器锻 件 。  

组织决定的I但是,由于钢种和钢锭直径的 
5  

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关系,有时也发现了通道型偏析。通过控制  熔炼 条件, 在某 种程 度 上预 防偏析 形 成 也是 
有可 能的 。  
虽 然今后 将会 研 究 出新 的方 法, 但 由于  锻件 是 一种商 品, 绝不 能 忽视 生产 成 本。 因  此,为 了选择 一 种 符合 设计 条件的 、合适 的 
制造方 法 ,设计 工 程师 和制 造工 程 师之 间的 

Flmig :Me .Trn ..1 1 7 )  0   e ns t as (  0 .1 9 9 2
( ) M .C. F e n s S a d J Me. , 1 5 lmlg : c n . . t  

5( 7 ) 1 1 6. 9  
(4 1 )T.Fui. D . p iir n   .C.Fi— ji R. ore ,a d M e 

mlg :Me.Tr n ..1 B (  9 ,3 1 ns t as   0 17 ) 3  9 (5 1 )A.S z k :Tes   Ha a e 0 (  4 . uui tu To g n ,6 17 ) 9  
了了   4

( ) “ ttso  E e tolg r csig f r 1 6 S au  f lcr sa  p o esn   o  
Pr ucl u of La ge Ro or For i gs . od to     r   t   gn ”  

沟通, 将越 来越 有 必要 了。  
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J h on a  M . F. Hor e ke : M e . o ns . nd nb c r t 

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M . S e 。 L. To : 3 d nt Ion &  c pi ni r  I . r

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S el Co g e s C ia o U. S A. . te  n r s . h c g . .  

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n b : 9 h I t Fo g n   n . . Da s l  a e t  n. r i g Co f se -

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(2 1 )R.M e rb a , M .Ke n , a d M.C.   h a ln ae n    

王  立 

译 

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